Потенциал действия. Потенциал действия нервной клетки

Потенциалом действия (ПД) называют быстрое колебание мем­бранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых других клеток. В его основе лежат изменения ионной прони­цаемости мембраны. Амплитуда ПД мало зависит от силы вызывающего его раздражителя, важно лишь, чтобы эта сила была не меньше некоторой критической величины, которая называется порогом раздражения. Воз­никнув в месте раздражения, ПД распространяется вдоль нервного или мышечного волокна, не изменяя своей амплитуды.

В естественных условиях ПД генерируются в нервных волокнах при раздражении рецепторов или возбуждении нервных клеток. Распростра­нение ПД по нервным волокнам обеспечивает передачу информации в нервной системе. Достигнув нервных окончаний, ПД вызывают секрецию химических веществ (медиаторов), обеспечивающих передачу сигнала на мышечные или нервные клетки. В мышечных клетках ПД инициируют цепь процессов, вызывающих сократительный акт. Ионы, проникающие в цитоплазму во время генерации ПД, оказывают регулирующее влияние на метаболизм клетки и, в частности, на процессы синтеза белков, состав­ляющих ионные каналы и ионные насосы.

Рис. 3. Потенциал действия скелетного мышечного волокна, зарегистрированный с помощью внутриклеточного микроэлектрода: а – фаза деполяризации, б – фаза реполяризации, в – фаза следовой деполяризации (отрицательный следовой потенциал). Момент нанесения раздражения показан стрелкой.

Установлено, что во время восходящей фазы (фазы деполяризации) происходит не просто исчезновение потенциала покоя (как это первоначально предполагали), а возникает разность потенциалов обратного знака: внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к наружной среде, иными словами, происходит реверсия мембранного потенциала. Во время нисходящей фазы (фазы реполяризации) мембранный потенциал возвращается к своему исходному значению. Если рассмотреть пример записи ПД в скелетном мышечном волокне лягушки (см. рис. 3), то видно, что в момент достижения пика мембранный потенциал составляет +30 – +40 мВ. Длительность пика ПД у различных нервных и мышечных волокон варьирует от 0,5 до 3 мс, причем фаза реполяризации продолжительнее фазы деполяризации.

Изменения мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами. Различают два вида следовых потенциалов – следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию.

Ионный механизм возникновения ПД. Как отмечалось, в состоянии покоя проницаемость мембраны для калия превышает ее проницаемость для натрия. Вследствие этого поток К + из цитоплазмы во внешний раствор превышает противоположно направленный поток Na + . Поэтому наружная сторона мембраны в покое имеет положительный потенциал по отношению к внутренней.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для Na + резко повышается и становится примерно в 20 раз больше проницаемости для K + . Поэтому поток Na + из внешнего раствора в цитоплазму начинает превышать направленный наружу калиевый ток. Это приводит к изменению знака (реверсии) мембранного потенциала: внутренняя сторона мембраны в месте возбуждения становится заряженной положительно по отношению к ее наружной поверхности. Указанное изменение мембранного потенциала соответствует восходящей фазе ПД (фазе деполяризации).

Повышение проницаемости мембраны для Na + продолжается лишь очень короткое время. Вслед за этим проницаемость мембраны для Na + вновь понижается, а для K + возрастает. Процесс, ведущий к понижению ранее увеличенной натриевой проницаемости мембраны, назван натриевой инактивацией. В результате инактивации поток Na + внутрь цитоплазмы резко ослабляется. Увеличение же калиевой проницаемости вызывает усиление потока K + из цитоплазмы во внешний раствор. В итоге этих двух процессов и происходит реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к наружной стороне мембраны. Этому изменению потенциала соответствует нисходящая фаза ПД (фаза реполяризации). Опыты на гигантских нервных волокнах кальмара позволили получить подтверждение правильности натриевой теории возникновения ПД.

ПД возникает при деполяризации поверхностной мембраны. Небольшие величины деполяризации приводят к открыванию части натриевых каналов и незначительному проникновению ионов Na внутрь клетки. Эти реакции являются подпороговыми и вызывают лишь местные изменения на мембране (локальный ответ). При увеличении силы раздражения, когда достигнут порог возбудимости, изменения мембранного потенциала достигают критического уровня деполяризации (КУД). Например, величина потенциала покоя равна -70 мВ, КУД = -50 мВ. Чтобы вызвать возбуждение, надо деполяризовать мембрану до -50 мВ, т.е. на -20 мВ снизить ее исходный потенциал покоя. Только при достижении КУД наблюдается резкое изменение мембранного потенциала, которое регистрируется в виде ПД. Таким образом, основное условие возникновения потенциала действия – это снижение мембранного потенциала до критического уровня депо­ляризации.

В основе рассмотренных изменений ионной проницаемости мембра­ны при генерации ПД лежат процессы открывания и закрывания специали­зированных ионных каналов в мембране, обладающих двумя важнейшими свойствами:

■ избирательностью (селективностью) по отношению к определен­ным ионам;

■ электровозбудимостью, т.е. способностью открываться и закры­ваться в ответ на изменения мембранного потенциала.

Так же как ионные насосы, ионные каналы образованы макромолекулами белков, пронизывающими липидный бислой мембраны.

Активный и пассивный ионный транспорт. В процессе восста­новления после ПД работа калий-натриевого насоса обеспечивает «откач­ку» излишних ионов натрия наружу и «накачивание» потерянных ионов калия внутрь, благодаря чему нарушенное при возбуждении неравенство концентраций Na + и K + по обе стороны мембраны восстанавливается. На работу этого механизма тратится около 70 % необходимой клетке энергии.

Таким образом, в живой клетке существует две системы движения ионов через мембрану.

Один из них осуществляется по градиенту концентрации ионов и не требует затраты энергии (пассивный ионный транспорт) . Он ответствен за возникновение потенциала покоя и ПД и ведет в конечном итоге к вы­равниванию концентрации ионов по обе стороны клеточной мембраны.

Второй осуществляется против концентрационного градиента. Он состоит в «выкачивании» ионов натрия из цитоплазмы и «нагнетании» ио­нов калия внутрь клетки. Этот тип ионного транспорта возможен лишь при условии затраты энергии обмена веществ. Его называют активным ион­ным транспортом. Он ответствен за поддержание постоянства разности концентраций ионов между цитоплазмой и омывающей клетку жидкостью. Активный транспорт - результат работы натриевого насоса, благодаря ко­торому восстанавливается исходная разность ионных концентраций, на­рушающаяся при каждой вспышке возбуждения.

Проведение возбуждения

Нервный импульс (потенциал действия) обладает способностью рас­пространяться вдоль по нервным и мышечным волокнам.

В нервном волокне потенциал действия является очень сильным раздражителем для соседних участков волокна. Амплитуда потенциала действия обычно в 5 – 6 раз превышает пороговую величину деполяризации. Это обеспечивает высокую скорость и надежность проведения.

Между зоной возбуждения (имеющей на поверхности волокна отрицательный заряд и на внутренней стороне мембраны – положительный) и соседним невозбужденным участком мембраны нервного волокна (с обратным соотношением зарядов) возникают электрические токи – так называемые местные токи. В результате развивается деполяризация соседнего участка, увеличение его ионной проницаемости и появление потенциала действия. В исходной же зоне возбуждения восстанавливается потенциал покоя. Затем возбуждением охватывается следующий участок мембраны и т.д. Таким образом, с помощью местных токов происходит распространение возбуждения на соседние участки нервного волокна, т.е. проведение нервного импульса. По мере проведения амплитуда потенциала действия не уменьшается, т.е. возбуждение не затухает даже при большой длине нерва.

В процессе эволюции с переходом от безмякотных нервных волокон к мякотным (покрытым миелиновой оболочкой) произошло существенное повышение скорости проведения нервного импульса. Для безмякотных волокон характерно непрерывное проведение возбуждения, которое охватывает последовательно каждый соседний участок нерва. Мякотные же нервы почти полностью покрыты изолирующей миелиновой оболочкой. Ионные токи в них могут проходить только в оголенных участках мембраны -перехватах Ранвье, лишенных этой оболочки. При проведении нервного импульса потенциал действия перескакивает от одного перехвата к другому и может охватывать даже несколько перехватов. Такое проведение поучило название сальтоторного (лат. сальто – прыжок). При этом повышается не только скорость, но и экономичность проведения. Возбуждение захватывает не всю поверхность мембраны волокна, а лишь небольшую ее часть. Следовательно, меньше энергии тратится на активный транспорт ионов через мембрану при возбуждении и в процессе восстановления.

Скорость проведения в разных волокнах различна. Более толстые нервные волокна проводят возбуждение с большей скоростью: у них расстояния между перехватами Ранвье больше и длиннее скачки. Наибольшую скорость проведения имеют двигательные и проприоцептивные афферентные нервные волокна - до 100 м/с. В тонких симпатических нерв ных волокнах (особенно в немиелинизированных волокнах) скорость проведения мала - порядка 0,5 - 15 м/с.

Во время развития потенциала действия мембрана полностью теряет возбудимость. Это состояние называют полной невозбудимостью, или абсолютной рефрактерностью. За ним следует относительная рефрактерность, когда потенциал действия может возникать лишь при очень сильном раздражении. Постепенно возбудимость восстанавливается до исходного уровня.

Законы проведения возбуждения в нервах:

1. Проведение импульсов возможно лишь при условии анатомической и физиологической целостности волокна.

2. Двустороннее проведение: при раздражении нервного волокна возбуждение распространяется по нему и в центробежном, и в центростремительном направлениях.

3. Изолированное проведение: в периферическом нерве импульсы распространяются по каждому волокну изолированно, т.е. не переходя с одного волокна на другое и оказывая действие только на те клетки, с которыми контактируют окончания данного нервного волокна.

13. Дайте определение гомеостаза.

14. Назовите основные пути регуляции различных функций у высокоорганизо­ванных животных и человека.

15. Кем и когда было открыто «животное электричество»?

16. Какие ткани относятся к возбудимым? Почему они так называются?

17. Назовите основные функциональные характеристики возбудимых тканей.

18. Что называют порогом возбудимости?

19. От каких факторов зависит величина порога?

20. Что такое лабильность? Кем было выдвинуто понятие лабильности, какие свойства возбудимых тканей оно характеризует?

21. Что называют мембранным потенциалом (потенциалом покоя)?

22. Чем обусловлено наличие электрических потенциалов в живых клетках?

23. В каких случаях говорят о деполяризации (или гиперполяризации) клеточ­ной мембраны?

24. Какую роль в формировании потенциала покоя играет калий-натриевый на­сос мембраны?

25. Что называют потенциалом действия? Какова его роль в нервной системе?

26. Что лежит в основе возникновения потенциала действия?

27. Охарактеризуйте фазы потенциала действия.

28. Что называют реверсией мембранного потенциала?

29. Опишите ионный механизм возникновения потенциала действия.

30. Что понимают под натриевой инактивацией?

31. Что такое критический уровень деполяризации?

32. Какими свойствами обладают ионные каналы клеточной мембраны?

33. Охарактеризуйте два типа ионного транспорта в клетке:

■ пассивный;

■ активный.

Модуль 1 ОБЩАЯ ФИЗИОЛОГИЯ ЦНС

Потенциал действия

Физической основой возбуждения является потенциал действия. По сути своей потенциал действия представляет электрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки). В результате наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса.

Если ввести внутрь живой клетки электрод и измерить мембранный потенциал покоя, он будет иметь отрицательное значение (порядка?70 - ?90 мВ). Это объясняется тем, что суммарный заряд на внутренней стороне мембраны существенно меньше, чем на внешней, хотя с обеих сторон содержатся и катионы, и анионы. Снаружи - на порядок больше ионов натрия, кальция и хлора, внутри - ионов калия и отрицательно заряженных белковых молекул, аминокислот, органических кислот, фосфатов, сульфатов. Надо понимать, что речь идёт именно о заряде поверхности мембраны - в целом среда и внутри, и снаружи клетки заряжена нейтрально.

Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов. Искусственным стимулом может служить электрический ток, подаваемый на внешнюю или внутреннюю сторону мембраны через электрод. В естественных условиях стимулом часто служит химический сигнал от соседних клеток, поступающий через синапс или путём диффузной передачи через межклеточную среду. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация) или положительную (деполяризация) сторону.

Для конкретики рассмотрим нервные клетки. В нервной ткани потенциал действия, как правило, возникает при деполяризации. По степени деполяризации раздражители могут быть подпороговыми, пороговыми и сверхпороговыми. При воздействии подпороговых раздражителей возникает так называемый локальный ответ - местная незначительная деполяризация мембраны, характеризуемая такими свойствами, как декрементность, суммация и градуальность.

Если деполяризация мембраны нейрона достигает некоторого порогового уровня или превышает его (пороговый и сверхпороговый раздражители), клетка возбуждается, и от её тела к аксонам и дендритам распространяется волна электрического сигнала - потенциал действия (рис. 3). Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы. Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной, секреторной и мышечной) содержит большое количество потенциалзависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциалзависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны.

Рис. 3.

Движущая сила в данном случае обеспечивается градиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны. Поток ионов натрия вызывает ещё большее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называют потенциалом действия (в специальной литературе обозначается ПД).

По достижении значения мембранного потенциала 0 мВ деполяризация продолжается, переходя в стадию реверсии (перезарядки). В этот момент в формирование ПД включаются калиевые потенциал - зависимые каналы (медленные относительно натриевых), а натриевые каналы переходят в инактивированное состояние (закрываются). При достижении мембранного потенциала пикового значения - около 30 мВ - происходит нарастание восстановление его значения - реполяризация, обусловленная током ионов К в противоположную относительно Na сторону (из клетки по градиенту концентрации в межклеточную среду). При достижении исходного значения мембранного потенциала происходит непродолжительная гиперполяризация, обусловленная током ионов Cl в клетку (рис. 4).

Рис. 4.

Согласно закону «всё-или-ничего» мембрана клетки возбудимой ткани либо не отвечает на стимул совсем, либо отвечает с максимально возможной для неё на данный момент силой. То есть, если стимул слишком слаб и порог не достигнут, потенциал действия не возникает совсем; в то же время, пороговый стимул вызовет потенциал действия такой же амплитуды, как и стимул, превышающий пороговый. Это отнюдь не означает, что амплитуда потенциала действия всегда одинакова - один и тот же участок мембраны, находясь в разных состояниях, может генерировать потенциалы действия разной амплитуды.

При подробном рассмотрении ПД можно выделить 6 фаз его развития (рис. 5).

1. Медленная деполяризация - от МП до критического уровня деполяризации (КУД), по сути представляет собой локальный ответ на пороговый раздражитель.

2. Быстрая деполяризация - от КУД до 0 мВ, вызвана лавинообразным потоком ионов Naв клетку.

3. Реверсия (овершут, перехлест) - от 0 мВ до пика деполяризации, открываются K каналы, Naканалы инактивируются.

4. Быстрая реполяризация - от пика деполяризации до КУД, вызвана током ионов K из клетки.

5. Медленнаяреполяризация - от КУД до МП.

6. Гиперполяризация - перехлест через МП с восстановлением его значения, вызвана током ионов Clв клетку.

Рис. 5.

Рефрактерность и возбудимость

Инактивация натриевой системы в процессе генерации потенциала действия приводит к тому, что клетка в этот период не может быть повторно возбуждена, т. е. наблюдается состояние абсолютной рефрактерности. Постепенное восстановление потенциала покоя в процессе реполяризации дает возможность вызвать повторный потенциал действия, но для этого требуется сверхпороговый стимул, так как клетка находится в состоянии относительной рефрактерности.

Исследование возбудимости клетки во время локального ответа или во время отрицательного следового потенциала показало, что генерация потенциала действия возможна при действии стимула ниже порогового значения. Это состояние супернормальности (в фазу медленной реполяризации), или экзальтации (в фазу медленной деполяризации). И наконец, фаза гиперполяризации снижает возбудимость и проявляется в виде субнормального периода.

Продолжительность периода абсолютной рефрактерности ограничивает максимальную частоту генерации потенциалов действия данным типом клеток. Например, при продолжительности периода абсолютной рефрактерности 4 мс максимальная частота равна 250 Гц.

Рис. 6.

Н. Е. Введенский ввел понятие лабильности, или функциональной подвижности, возбудимых тканей. Мерой лабильности является количество потенциалов действия, которое способна генерировать возбудимая ткань в единицу времени. Очевидно, что лабильность возбудимой ткани в первую очередь определяется продолжительностью периода рефрактерности. Наиболее лабильными являются волокна слухового нерва, в которых частота генерации потенциалов действия достигает 1000 Гц.

Потенциалом действия называют быстрое изменение мембранного потенциала, возникающее при возбуждении нервных, мышечных и некоторых железистых клеток. В основе его возникновения лежат изменения ионной проницаемости мембраны. В развитии потенциала действия выделяют четыре последовательных периода: 1) локальный ответ; 2) деполяризация; 3) реполяризация и 4) следовые потенциалы (рис. 2.11).

Локальный ответ представляет собой активную местную деполяризацию, возникающую вследствие увеличения натриевой проницаемости клеточной мембраны. Уменьшение мембранного потенциала называется деполяризацией. Однако при подпороговом стимуле начальное повышение натриевой проницаемости недостаточно велико, чтобы вызвать быструю деполяризацию мембраны. Локальный ответ возникает не только при подпороговом, но и при надпороговом раз-

Рис. 2.11.

1 - локальный ответ; 2 - фаза деполяризации; 3 - фаза реполяризации; 4 - отрицательный следовой потенциал; 5 - положительный (гиперполяризационный) следовой потенциал

дражении и является составным компонентом потенциала действия. Таким образом, локальный ответ является первоначальной и универсальной формой реагирования ткани на различные по силе раздражения. Биологический смысл локального ответа состоит в том, что если раздражитель по силе мал, то ткань реагирует на него с минимальной тратой энергии, не включая механизмы специфической деятельности. В том же случае, когда раздражение надпороговое, локальный ответ переходит в потенциал действия. Период от начала раздражения до начала фазы деполяризации, когда локальный ответ, нарастая, снижает мембранный потенциал до критического уровня (КУД), называется латентным или скрытым периодом, продолжительность которого зависит от силы раздражения (рис. 2.12).

Фаза деполяризации характеризуется быстрым уменьшением мембранного потенциала и даже перезарядкой мембраны: внутренняя ее часть на некоторое время становится заряженной положительно, а внешняя - отрицательно. Изменение знака заряда на мембране называют извращением - реверсией потенциала. В отличие от локального ответа скорость и величина деполяризации не зависят от силы раздражителя. Продолжительность фазы деполяризации в нервном волокне лягушки составляет около 0,2-0,5 мс.

Продолжительность фазы реполяризации составляет 0,5-0,8 мс. Восстановление исходной величины поляризации мембраны называют реполяризацией. В течение этого времени мембранный потен-

Рис. 2.12. Потенциалы действия, возникающие в ответ на пороговое раздражение коротким (А) и длительным (Б) стимулами Раздражающие стимулы, при воздействии которых получены ответы А и Б: ПП - потенциал покоя; Екуд. - критический уровень деполяризации мембраны (по А.Л. Каталымову)

циал постепенно восстанавливается и достигает 75-85% потенциала покоя. В литературе второй и третий периоды часто называют пиком потенциала действия.

Колебания мембранного потенциала, следующие за пиком потенциала действия, называют следовыми потенциалами. Различают два вида следовых потенциалов - следовую деполяризацию и следовую гиперполяризацию, которые соответствуют четвертой и пятой фазам потенциала действия. Следовая деполяризация (отрицательный следовой потенциал) является продолжением фазы реполяризации и характеризуется более медленным (по сравнению с фазой реполяризации) восстановлением потенциала покоя. Следовая деполяризация переходит в следовую гиперполяризацию (положительный следовой потенциал), представляющую собой временное увеличение мембранного потенциала выше исходного уровня. Увеличение мембранного потенциала называется гиперполяризацией. В миелинизирован- ных нервных волокнах следовые потенциалы имеют более сложный характер: следовая деполяризация может переходить в следовую гиперполяризацию, затем иногда возникает новая деполяризация, лишь после этого происходит полное восстановление потенциала покоя.

Ионный механизм возникновения потенциала действия. Основу потенциала действия составляют последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны.

При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na + резко повышается за счет активации (открывания) натриевых каналов.

При этом ионы Na + по концентрационному градиенту интенсивно перемещаются из вне во внутриклеточное пространство. Вхождению ионов Na + в клетку способствует и электростатическое взаимодействие. В итоге проницаемость мембраны для Na + становится в 20 раз больше проницаемости для ионов К + .

Сначала деполяризация идет сравнительно медленно. Когда мембранный потенциал уменьшается на 10-40 мВ, скорость деполяризации резко увеличивается и кривая потенциала действия круто поднимается верх. Уровень мембранного потенциала, при котором резко увеличивается скорость деполяризации мембраны, благодаря тому что поток ионов Na + внутрь клетки оказывается большим, чем поток ионов К + наружу, называют критическим уровнем деполяризации.

Поскольку поток Na + в клетку начинает превышать калиевый ток из клетки, происходит постепенное снижение потенциала покоя, приводящее к реверсии - изменению знака мембранного потенциала. При этом внутренняя поверхность мембраны становится электроположительной по отношению к ее внешней электроотрицательной поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия (фазе деполяризации).

Мембрана характеризуется повышенной проницаемостью для ионов Na + лишь очень короткое время (0,2-0,5 мс). После этого проницаемость мембраны для ионов Na + вновь понижается, а для К + - возрастает. В результате поток Na + внутрь клетки резко ослабляется, а ток К + из клетки усиливается.

В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na + , а ионы К + покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе натрий- калиевого насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na + и увеличении внешней концентрации ионов К + . Благодаря работе ионного насоса и изменению проницаемости мембраны для Na + и К + их концентрация во внутри- и внеклеточном пространстве постепенно восстанавливается.

Итогом этих процессов и является реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к внешней поверхности мембраны.

Следовой отрицательный потенциал регистрируется в период, когда № + -каналы инактивированы и реполяризация, связанная с выходом ионов К + из клетки, происходит медленнее, чем во время нисходящей части пика потенциала действия. Это длительное сохранение отрицательности наружной поверхности возбужденного участка по отношению к невозбужденному называют следовой деполяризацией. Следовая деполяризация означает, что в этот период наружная поверхность возбудимого образования имеет меньший положительный заряд, чем в состоянии покоя.

Следовой положительный потенциал соответствует периоду увеличения мембранного потенциала покоя, т.е. гиперполяризации мембраны. Во время следового положительного потенциала наружная поверхность клетки более положительно заряжена, чем в состоянии покоя. Следовой положительный потенциал часто называют следовой гиперполяризацией. Она объясняется длительным сохранением повышенной проницаемости для ионов К + . Вследствие этого на мембране устанавливается потенциал, равный потенциалу равновесия (для К + - 90 мВ).

Изменения возбудимости в процессе развития возбуждения. Воздействуя раздражителями разной силы в различные фазы потенциала действия, можно проследить, как изменяется возбудимость в ходе возбуждения. На рис. 2.13" видно, что период локального ответа характеризуется повышенной возбудимостью (мембранный потенциал приближается к критическому уровню деполяризации); во время фазы деполяризации мембрана утрачивает возбудимость (клетка становится рефрактерной), которая постепенно восстанавливается в ходе реполяризации.

Выделяют период абсолютной рефрактерности , который в нервных клетках продолжается около 1 мс и характеризуется их полной невоз- будимостью. Период абсолютной рефрактерности возникает в результате практически полной инактивации (непроницаемости) натриевых каналов и повышения калиевой проводимости мембраны. Даже в состоянии покоя активированы не все каналы мембраны, 40% из них находятся в состоянии инактивации. При деполяризации количество инактивированных каналов увеличивается и вершина пика потенциала действия соответствует инактивации всех натриевых каналов.

По мере реполяризации мембраны происходит реактивация натриевых каналов. Это период относительной рефрактерности : потенциал действия может возникнуть только при действии более сильных (надпороговых) раздражителей.

В период отрицательного следового потенциала фаза относительной рефрактерности сменяется фазой повышенной (супернормальной) возбудимости. В этот период порог раздражения снижен по сравнению с исходным значением, поскольку мембранный потенциал ближе к критической величине, чем в состоянии покоя (рис. 2.14) .

Фаза следовой гиперполяризации, обусловленная остаточным выходом калия из клетки, напротив, характеризуется снижением

Рис. 2.13.

А - компоненты волны возбуждения: 1 -деполяризация; 2 - реполяризация; МП - мембранный потенциал; мВ - микровольт; МК - критический уровень деполяризации: а - длительность порогового потенциала; б - длительность потенциала действия; в - следовая отрицательность; г - следовая положительность; Б - изменения возбудимости в разные фазы волны возбуждения; УВ - уровень возбудимости в покое: а - повышение возбудимости в период порогового потенциала; б - падение возбудимости до нуля во время протекания потенциала действия (абсолютная рефрактерность); в, - возвращение возбудимости к исходному уровню во время следовой отрицательности (относительная рефрактерность); в 2 - повышение возбудимости в период конца следовой отрицательности (экзальтация"или супернормальность); в - весь период следовой отрицательности; г - падение возбудимости в период гиперполяризации (субнормальность)

возбудимости. Поскольку мембранный потенциал больше, чем в состоянии покоя, требуется более сильный раздражитель для его «смещения» до уровня критической деполяризации.

Таким образом, в динамике возбудительного процесса изменяется способность клетки реагировать на раздражители, т.е. возбудимость.

Рис. 2.14.

Величина мембранного потенциала: Е 0 - в покое; - в фазе экзальтации; Е 2 - в фазе гиперполяризации. Величина порогового потенциала: е 0 - в покое; е, - в фазе экзальтации; е 2 - в фазе гиперполяризации

Это имеет большое значение, поскольку в момент наибольшего возбуждения (пика потенциала действия) клетка становится абсолютно невозбудимой, что защищает ее от гибели и повреждений.

• См.: Леонтьева Н.Н., Маринова К.В. Указ. соч.
• Там же.

Работа органов и тканей нашего организма зависит от многих факторов. Некоторые клетки (кардиомиоциты и нервы) зависят от передачи нервных импульсов, генерируемых в специальных компонентах клеток или узлах. В основе лежит образование специфической волны возбуждения, носящей название потенциала действия.

Что это такое?

Потенциалом действия принято называть волну возбуждения, передвигающуюся от клетки к клетке. За счет ее образования и прохождения через происходит кратковременное изменение их заряда (в норме внутренняя сторона мембраны заряжена отрицательно, а наружная - положительно). Образованная волна способствует изменению свойств ионных каналов клетки, что приводит к перезарядке мембраны. В тот момент, когда потенциал действия проходит через мембрану, происходит кратковременное изменение ее заряда, что приводит к изменению свойств клетки.

Образование данной волны лежит в основе функционирования а также системы путей проведения сердца.

При нарушении его образования развиваются многие заболевания, что делает определение потенциала действия необходимым в комплексе лечебно-диагностических мероприятий.

Как же образуется потенциал действия и что для него характерно?

История исследования

Изучение возникновения возбуждения в клетках и волокнах было начато довольно давно. Первыми его возникновение заметили биологи, изучавшие воздействие различных раздражителей на оголенный берцовый нерв лягушки. Ими было замечено, что при воздействии на него концентрированным раствором пищевой соли наблюдалось сокращение мышц.

В дальнейшем исследования были продолжены неврологами, однако основная наука после физики, изучающая потенциал действия - физиология. Именно физиологами было доказано наличие потенциала действия в клетках сердца и нервах.

По мере углубления в изучение потенциалов было доказано наличие и потенциала покоя.

С начала 19 века начали создаваться методы, позволяющие зафиксировать наличие данных потенциалов и измерить их величину. В настоящее время фиксация и изучение потенциалов действия проводится в двух инструментальных исследованиях - снятии электрокардиограмм и электроэнцефалограмм.

Механизм потенциала действия

Образование возбуждения происходит за счет изменения внутриклеточной концентрации ионов натрия и калия. В норме в клетке содержится больше калия, чем натрия. Внеклеточная концентрация ионов натрия значительно больше, чем в цитоплазме. Изменения, вызываемые потенциалом действия, способствуют изменению заряда на мембране, в результате чего обуславливается ток ионов натрия внутрь клетки. Из-за этого изменяются заряды снаружи и внутри заряжается положительно, а внешняя среда - отрицательно.

Это делается для облегчения прохождения волны по клетке.

После того как волна была передана через синапс, происходит обратное восстановление заряда за счет тока внутрь клетки отрицательно заряженных ионов хлора. Восстанавливаются исходные уровни заряда снаружи и внутри клетки, что приводит к образованию потенциала покоя.

Периоды покоя и возбуждения чередуются. В патологической клетке все может происходить иначе, и образование ПД там будет подчиняться несколько иным законам.

Фазы ПД

Течение потенциала действия можно разделить на несколько фаз.

Первая фаза протекает до образования (проходящим потенциалом действия стимулируется медленная разрядка мембраны, которая достигает максимального уровня, обычно он составляет около -90 мЭв). Данная фаза носит название предспайк. Осуществляется за счет входа в клетку ионов натрия.

Следующая фаза - пиковый потенциал (или спайк), образует параболу с острым углом, где восходящая часть потенциала означает деполяризацию мембраны (быстрая), а нисходящая часть - реполяризацию.

Третья фаза - отрицательный следовый потенциал - показывает следовую деполяризацию (переход от пика деполяризации до состояния покоя). Обусловлена входом ионов хлора внутрь клетки.

На четвертом этапе, фазе положительного следового потенциала, происходит возврат уровней заряда мембраны к исходному.

Данные фазы, обусловленные потенциалом действия, строго следуют одна за одной.

Функции потенциала действия

Несомненно, развитие потенциала действия имеет важное значение в функционировании тех или иных клеток. В работе сердца возбуждению принадлежит главная роль. Без него сердце было бы просто неактивным органом, но за счет распространения волны по всем клеткам сердца происходит его сокращение, что способствует проталкиванию крови по сосудистому руслу, обогащению ею всех тканей и органов.

Также не могла бы нормально выполнять свою функцию без потенциала действия. Органы не могли бы получать сигналы к выполнению той или иной функции, в результате чего были бы просто бесполезными. Кроме того, совершенствование передачи нервного импульса в нервных волокнах (появление миелина и перехватов Ранвье) позволило передавать сигнал за считаные доли секунды, что и обусловило развитие рефлексов и сознательных движений.

Кроме данных систем органов, потенциал действия образуется и во многих других клетках, однако в них он играет роль лишь в выполнении клеткой своих специфических функций.

Возникновение потенциала действия в сердце

Основным органом, работа которого основана на принципе образования потенциала действия, является сердце. За счет существования узлов образования импульсов осуществляется работа данного органа, функция которого заключается в доставке крови к тканям и органам.

Генерация потенциала действия в сердце происходит в синусовом узле. Он находится в месте впадения полых вен в правом предсердии. Оттуда импульс распространяется по волокнам проводящей системы сердца - от узла к атриовентрикулярному соединению. Проходя по точнее, по его ножкам, импульс проходит к правому и левому желудочку. В их толще расположены более мелкие пути проведения - волокна Пуркинье, по которым возбуждение доходит до каждой клетки сердца.

Потенциал действия кардиомиоцитов является составным, т.е. зависит от сокращения всех клеток сердечной ткани. При наличии блока (рубец после инфаркта) образование потенциала действия нарушается, что фиксируется на электрокардиограмме.

Нервная система

Как же образуется ПД в нейронах - клетках нервной системы. Тут все осуществляется несколько проще.

Внешний импульс воспринимается отростками нервных клеток - дендритами, связанными с рецепторами, расположенными как в коже, так и во всех других тканях (потенциал покоя и потенциал действия также сменяют друг друга). Раздражение провоцирует образование потенциала действия в них, после чего импульс через тело нервной клетки идет в ее длинный отросток - аксон, а от него через синапсы - к другим клеткам. Таким образом, образованная волна возбуждения доходит до головного мозга.

Особенностью нервной системы является наличие двух типов волокон - покрытых миелином и без него. Возникновение потенциала действия и его передача в тех волокнах, где есть миелин, осуществляется значительно быстрее, чем в демиелинезированных.

Данный феномен наблюдается из-за того, что распространение ПД по миелинизированным волокнам происходит за счет “прыжков” - импульс перескакивает участки миелина, что в результате уменьшает его путь и, соответственно, ускоряет распространение.

Потенциал покоя

Без развития потенциала покоя не было бы и потенциала действия. Под потенциалом покоя понимают нормальное, невозбужденное состояние клетки, при котором заряды внутри и вне ее мембраны значительно отличаются (то есть снаружи мембрана заряжена положительно, а внутри - отрицательно). Потенциал покоя показывает разницу между зарядами внутри и извне клетки. Обычно в норме он составляет от -50 до -110 мЭв. В нервных волокнах данная величина обычно равна -70 мЭв.

Обусловлен он миграцией ионов хлора внутрь клетки и созданием негативного заряда на внутренней стороне мембраны.

При смене концентрации внутриклеточных ионов (как было указано выше) ПП сменяет ПД.

В норме все клетки организма находятся в невозбужденном состоянии, поэтому смену потенциалов можно считать физиологически необходимым процессом, так как без них не могли бы осуществлять свою деятельность сердечно-сосудистая и нервная системы.

Значимость исследования потенциалов покоя и действия

Потенциал покоя и потенциал действия позволяют определить состояние организма, а также отдельных органов.

Фиксация потенциала действия с сердца (электрокардиография) позволяет определить его состояние, а также функциональную способность всех его отделов. Если изучать нормальную ЭКГ, то можно заметить, что все зубцы на ней есть проявление потенциала действия и последующего потенциала покоя (соответственно, возникновение данных потенциалов в предсердиях отображает зубец Р, а распространение возбуждения в желудочках - зубец R).

Что касаемо электроэнцефалограммы, то на ней возникновение различных волн и ритмов (в частности, альфа и бета-волн у здорового человека) также обусловлено возникновением потенциалов действия в нейронах головного мозга.

Данные исследования позволяют своевременно выявить развитие того или иного патологического процесса и обуславливают практически до 50 процентов успешного лечения исходного заболевания.

Потенциал действия (ПД) - это электрофизиологичес-кий процесс, выражающийся в быстром колебании мембранно-го потенциала вследствие перемещения ионов в клетку и из клетки и способный распространяться без декремента (без затухания). ПД обеспечивает передачу сигналов между нервны-ми клетками, нервными центрами и рабочими органами; в мышцах ПД обеспечивает процесс электромеханического сопряжения.

А. Характеристика потенциала действия (ПД). Схема-тично ПД представлен на рис. 1.3. Величина ПД колеблется в пре-делах 80-130 мВ, длительность пика ПД нервного волокна 0,5-1 мс, волокна скелетной мышцы - до 10 мс с учетом замедления деполяризации в конце ее. Длительность ПД сердечной мышцы , 300-400 мс. Амплитуда ПД не зависит от силы раздражения - она всегда максимальна для данной клетки в конкретных условиях: ПД подчиняется закону «все или ничего», но не подчиняется закону силовых отношений - закону силы. ПД либо совсем не возникает при раздражении клетки, если оно мало, либо возникает и достига-ет максимальной величины, если раздражение является пороговым или сверхпороговым.

Следует отметить, что слабое (подпороговое) раздражение может вызвать локальный потенциал. Он подчи-няется закону силы - с увеличением силы стимула величина его возрастает.

В составе ПД различают четыре фазы:

1 — деполяриза-ция , т. е. исчезновение заряда клетки - уменьшение мембранного потенциала до нуля;

2 — инверсия , т. е. изменение заряда клетки на противоположный, когда внутренняя сторона мембраны клетки заряжается положительно, а внешняя - отрицательно (лат. шуегзю - переворачивание);

3 — реполяризация, т. е. восстанов-ление исходного заряда клетки, когда внутренняя поверхность клеточной мембраны снова заряжается отрицательно, а наружная -положительно;

4 - следовая гиперполяризация.

Б. Механизм возникновения ПД. Если действие раздражи-теля на клеточную мембрану приводит к началу развития ПД, да-лее сам процесс развития ПД вызывает фазовые изменения прони-цаемости клеточной мембраны, что обеспечивает быстрое движение № + в клетку, а К + - из клетки. Это наиболее часто встре-чаемый вариант возникновения ПД. Величина мембранного потен-циала при этом сначала уменьшается, а затем снова восстанавли-вается до исходного уровня.

На экране осциллографа отмеченные изменения мембранного потенциала предстают в виде пикового по-тенциала - ПД. Он возникает вследствие накопленных и поддер-живаемых ионными насосами градиентов концентраций ионов внут-ри и вне клетки, т.е. за счет потенциальной энергии в виде электрохимических градиентов ионов. Если заблокировать процесс выработки энергии, потенциалы действия некоторый период вре-мени будут возникать. Но после исчезновения градиентов концен-траций ионов (устранения потенциальной энергии) клетка генери-ровать ПД не будет. Рассмотрим фазы ПД.

1. Фаза деполяризации (см. рис. 1.3 - 1). При действии депо-ляризующего раздражителя на клетку (медиатор, электрический ток) начальная частичная деполяризация клеточной мембраны про-исходит без изменения ее проницаемости для ионов. Когда деполя-ризация достигает примерно 50% пороговой величины (50% поро-гового потенциала), начинает повышаться проницаемость мембраны клетки для Ыа + , причем в первый момент сравнительно медленно.

Естественно, что скорость входа Ыа + в клетку при этом невелика. В этот период, как и во время всей первой фазы (деполя-ризации), движущей силой, обеспечивающей вход Гч!а + в клетку, являются концентрационный и электрический градиенты. Напом-ним, что клетка внутри заряжена отрицательно (разноименные за-ряды притягиваются друг к другу), а концентрация № + вне клетки в 10-12 раз больше, чем внутри клетки.

Условием, обеспечиваю-щим вход № + в клетку, является увеличение проницаемости кле-точной мембраны, которая определяется состоянием воротного ме-ханизма Ыа-каналов (в некоторых клетках, например, в кардиомиоцитах, в волокнах гладкой мышцы, важную роль в воз-никновении ПД играют и управляемые каналы для Са 2+).

Когда деполяризация клетки достигает критической величины (Е, критический уровень деполяризации - КУД), которая обычно составляет 50 мВ (возможны и другие величины), проницаемость мембраны для Ыа* резко возрастает - открывается большое число потенциалзависимых ворот Ыа-каналов - и Ыа + лавиной устремля-ется в клетку.

В результате интенсивного тока Ыа + внутрь клетки процесс деполяризации проходит очень быстро. Развивающаяся деполяризация клеточной мембраны вызывает дополнительное увеличение ее проницаемости и, естественно, проводимости Ыа + - открываются все новые и новые ворота №-каналов, что придает току Ыа + в клетку характер регенеративного процесса. В итоге ПП исчезает, становится равным нулю. Фаза деполяризации на этом заканчивается.

2. Фаза инверсии. После исчезновения ПП вход Ыа + в клетку продолжается, поэтому число положительных ионов в клетке пре-восходит число отрицательных ионов, заряд внутри клетки стано-вится положительным, снаружи - отрицательным. Процесс пере-зарядки мембраны представляет собой вторую фазу потенциала действия - фазу инверсии (рис. 1.3 - 2).

Теперь электрический градиент препятствует входу Ыа + внутрь клетки (положительные заряды отталкиваются друг от друга), Ыа-проводимость снижает-ся. Тем не менее, некоторый период времени (доли миллисекунды) № + продолжает входить в клетку — об этом свидетельствует про-должающееся нарастание ПД. Это означает, что концентрацион-ный градиент, обеспечивающий движение № + в клетку, сильнее электрического, препятствующего входу Ыа + в клетку.

Во время деполяризации мембраны увеличивается проницаемость ее и для Са 2+ , он также идет в клетку, но в нервных волокнах, нейронах и в клетках скелетной мускулатуры роль Са 2+ в развитии ПД мал.а. В клетках гладкой мышцы и миокарда его роль существенна. Та-ким образом, вся восходящая часть пика ПД в большинстве случа-ев обеспечивается в основном входом № + в клетку.

Примерно через 0,5-1 мс и более после начала деполяризации (это время зависит от вида клетки) рост ПД прекращается вслед-ствие закрытия ворот натриевых каналов и открытия ворот К-каналов, т. е. увеличения проницаемости для К + и резкого возрастания выхода его из клетки (см. рис. 1.3 - 2). Препятствуют также росту пика ПД электрический градиент Ыа + (клетка внутри в этот момент заряжена положительно), а также выход К + из клетки по каналам утечки.

Поскольку К + находится преимущественно внутри клетки, он, согласно концентрационному градиенту, быстро выходит из клетки после открытия ворот К + -каналов, вследствие чего умень-шается число положительно заряженных ионов в клетке. Заряд клетки снова начинает уменьшаться. В фазу инверсии выходу К + из клетки способствует также и электрический градиент. К + вы-талкивается положительным зарядом из клетки и притягивается отрицательным зарядом снаружи клетки.

Так продолжается до пол-ного исчезновения положительного заряда внутри клетки (до кон-ца фазы инверсии - рис. 1.3-2, пунктирная линия), когда начина-ется следующая фаза ПД - фаза реполяризации. Калий выходит из клетки не только по управляемым каналам, ворота которых от-крыты, но и по неуправляемым - каналам утечки, что несколько замедляет ход восходящей части ПД и ускоряет ход нисходящей составляющей ПД.

Таким образом, изменение мембранного потенциала покоя ве-дет к последовательному открытию и закрытию электроуправляе-мых ворот ионных каналов и движению ионов согласно электрохи-мическому градиенту - возникновению ПД. Все фазы являются регенеративными - необходимо только достичь критического уров-ня деполяризации, далее ПД развивается за счет потенциальной энергии клетки в виде электрохимических градиентов, т. е. вторич-но активно.

Амплитуда ПД складывается из величины ПП (мембранно-го потенциала покоящейся клетки) и величины фазы инверсии, составляющей у разных клеток 10-50 мВ. Если мембранный потенциал покоящейся клетки мал, амплитуда ПД этой клетки не-большая.

3. Фаза реполяризации (рис. 1.3-3) связана с тем, что про-ницаемость клеточной мембраны для К + все еще высока (во-рота калиевых каналов открыты), К + продолжает быстро выходить из клетки, согласно концентрационному градиенту. Поскольку клетка теперь уже снова внутри имеет отрицательный заряд, а сна-ружи - положительный (см. рис. 1.3 - 3), электрический гради-ент препятствует выходу К + из клетки, что снижает его проводи-мость, хотя он продолжает выходить.

Это объясняется тем, что действие концентрационного градиента выражено значительно сильнее электрического градиента. Вся нисходящая часть пика ПД обусловлена выходом К + из клетки. Нередко в конце ПД наблюда-ется замедление реполяризации, что объясняется уменьшением проницаемости клеточной мембраны для К + и замедлением выхо-да его из клетки из-за частичного закрытия ворот К-каналов. Вто-рая причина замедления тока К + из клетки связана с возрастани-ем положительного потенциала наружной поверхности клетки и формированием противоположно направленного электрического градиента.

Таким образом, главную роль в возникновении ПД играет Ыа + , входящий в клетку при повышении проницаемости клеточ-ной мембраны и обеспечивающий всю восходящую часть пика ПД. При замене Ма + в среде на другой ион, например холин, ПД в нервной и мышечной клетках скелетной мускулатуры не возника-ет. Однако проницаемость мембраны для К + тоже играет важную роль. Если повышение проницаемости для К + предотвратить тетраэтиламмонием, мембрана после ее деполяризации реполяризуется гораздо медленнее, только за счет медленных неуправ-ляемых каналов (каналов утечки ионов), через которые К + будет выходить из клетки.

Роль Са 2+ в возникновении ПД в нервных и мышечных клет-ках скелетной мускулатуры незначительна. Однако Са 2+ играет важную роль в возникновении ПД сердечной и гладкой мышц, в передаче импульсов от одного нейрона к другому, от нервного во-локна к мышечному, в обеспечении мышечного сокращения.

4. Следовая гиперполяризация клеточной мембраны (рис. 1.3 -4) обычно является следствием еще сохраняющейся повышенной проницаемости клеточной мембраны для К + , она характерна для нейронов. Ворота К-каналов еще не полностью закрыты, поэтому К + продолжает выходить из клетки согласно концентрационному градиенту, что и ведет к гиперполяризации клеточной мембраны.

Постепенно проницаемость клеточной мембраны возвращается к исходной (натриевые и калиевые ворота возвращаются в исходное состояние), а мембранный потенциал становится таким же, каким он был до возбуждения клетки. Ыа/К-помпа непосредственно за фазы потенциала действия не отвечает, хотя она и про-должает работать во время развития ПД.

Следовая деполяризация также характерна для нейронов, она может быть зарегистрирована и в клетках скелетной мышцы. Ме-ханизм ее изучен недостаточно. Возможно, это связано с кратко-временным повышением проницаемости клеточной мембраны для Ыа + и входом его в клетку согласно концентрационному и электри-ческому градиентам.

В. Запас ионов в клетке, обеспечивающих возникновение возбуждения (ПД), огромен. Концентрационные градиенты ионов в результате одного цикла возбуждения практически не изменяют-ся. Клетка может возбуждаться до 510 5 раз без подзарядки, то есть без работы Ыа/К-насоса.

Число импульсов, которое гене-рирует и проводит нервное волокно, зависит от его толщины, что определяет запас ионов. Чем толще нервное волокно, тем больше запас ионов и больше импульсов оно может генерировать (от не-скольких сот до нескольких сотен тысяч) без участия №/К-насоса. Однако в тонких С-волокнах на возникновение одного ПД рас-ходуется около 1 % концентрационных градиентов № + и К + .

Таким образом, если заблокировать выработку энергии, то клетка будет еще многократно возбуждаться и в этом случае. В реальной же действительности Ыа/К-насос постоянно переносит Ыа + из клет-ки, а К + возвращает в клетку, в результате постоянно поддержи-вается концентрационный градиент № + и К + , что осуществляет-ся за счет непосредственного расхода энергии, источником которой является АТФ.